变压器有了“核磁共振仪”

       8月12日，国网河南省电力公司电力科学研究院技术人员利用变压器声学成像非侵入测量系统，完成特高压南阳变电站2号变压器内部结构成像检测，助力运维人员快速、准确排除了出线装置下沉等隐患，为变压器在迎峰度夏期间安全运行提供了保障。

       河南电科院依托变电站主设备材料声学成像检测新技术自主研发了变压器声学成像非侵入测量系统。应用该系统可以替代传统的变压器停运、人工排油等内部检查，助力运维人员准确、高能效开展设备内部隐患排查、诊断等工作，提升了变电设备精益运维水平，如同变压器有了专属的“核磁共振仪”。

       探索变压器声学成像非侵入测量技术

       变压器属于充油设备，内部结构复杂，长期处于高温、高负荷等运行环境。据统计，近年来，全国变压器故障数量占各类变电设备故障的80%左右。变压器有一层金属壳体。监测绝缘油在变压器壳体内部的通流情况，评估变压器关键部件状态，及时发现并消除缺陷，确保设备安全运行，是运维人员的重要工作。

       变压器的运行状态以声、光、电、磁等物理信号呈现。电、磁信号遇到金属外壳会被屏蔽掉，难以利用常规检测设备探测。“声波属于机械能，可以穿透金属外壁。因而声学检测在电气设备状态评估中具有较大的优势。”河南电科院生产技能类一级专家、变电站主设备材料声学成像检测新技术研发负责人王朝华说。

       自2020年1月开始，王朝华带领研发团队多次前往国内超高压、特高压变电站和换流站实地调研，深入研究适用于变压器内外部物理特性、安全高能效的探测方法，提出了阵列声学瞬态信号逆向解调技术，利用声学原理实现在非侵入状态下对变压器内部结构和状态的安全、高能效、准确扫描和探测。2020年9月，团队成员在中国电力科学研究院有限公司高电压研究所变压器实验室开展了技术路线论证，同年10月在国内某换流站变压器设备上进行了实际检测验证。

       2020年年底，研发团队研制出变压器声学成像非侵入测量系统，可有效检测110千伏及以上变压器出线装置外层绝缘纸10毫米以上的偏移等异常情况。系统突破了变压器检测技术瓶颈，让运维人员不再依赖停运变压器、排空绝缘油等操作来排查设备隐患。

       破解变压器内部不均匀声场校正难题

       变压器内部包含绝缘纸、铜导体、绝缘油等多种固体和液体成分，是一个不均匀的声场。油属于流体介质，只能传播纵波，无法传播横波，因此变压器内部结构横截面的缺陷不易通过声波探测出来。且当多种介质组成多层界面时，界面间的波形转换会影响探测能量和范围。

       为解决不均匀声场的校正问题，研发团队在研究阵列声学瞬态信号逆向解调技术时，融合应用阵列声学成像和水浸声学成像技术，提出在变压器内建立坐标系，控制传感器不同感应晶片的信号发射时间。他们利用固定探头测量变压器内部组件表面特定点到传感器的距离和角度，依托设置在外部探测轨道上的移动探头进行整体扫描，将探测内容叠加形成变压器内部图像。

    “我们称这种变压器内部声学成像的方法为原位检测法。”王朝华说，他们依托阵列声学瞬态信号逆向解调技术和相关原理研发的变压器声学成像非侵入测量系统，包含便携式声学相控阵检测仪、32通道以上相控阵超声探头、控制分析软件等多种装置。

       如今，运维人员利用变压器声学成像非侵入测量系统，可将变压器内要检测的部分分割成一块一块的区域，通过反复提取同一位置不同声学路径上的声学参量，实现变压器内部结构高精度成像。“我们还将探头替换成128通道超声波喷水耦合探头，实现了毫米级的高精度检测，帮助运维人员发现各类微小的隐患。”王朝华说。

助力提升变电运维工作质量和效率

       研发团队在变压器声学成像非侵入测量系统相关技术研究、装置研发、实践应用过程中，结合生产实际中遇到的问题不断探索创新，拓展该系统的应用范围。

       2020年9～12月，研发团队根据特高压变压器、换流变压器、电抗器以及超高压变压器等不同设备内外部结构特点，定制了相应的检测装置和控制分析软件，包括适用于圆形升高座筒体的爬行机器人、适用于复杂结构的六轴力反馈机器人及高度达1.5米的大型变压器门型检查扫描装置等，变压器声学成像非侵入测量系统应用范围进一步扩大。

       2021年4～6月，根据国家电网有限公司设备部安排，河南电科院相关人员前往江西、安徽、山西、四川、湖南等省份，利用变压器声学成像非侵入测量系统对12座变电站16组48台变压器开展隐患排查。王朝华介绍，在那之前，单台变压器检测至少需要5天时间，而利用该系统半个小时就完成了，且当场就得到了图形化排查结果，精度达毫米级。

       2022年以来，变压器声学成像非侵入测量系统在±800千伏宜宾换流站、金华换流站及±1100千伏昌吉换流站等特高压站广泛应用，得到越来越多一线运维人员的认可。国网新疆电力有限公司电力科学研究院专责张飞说：“系统传感器生成的变压器内部结构图像和医院的四维超声一样直观，让我们的工作质效大大提升。”